Un nouveau matériau, capable de se mouvoir comme la peau tout en préservant la force du signal dans les dispositifs électroniques, pourrait permettre le développement de dispositifs portables de nouvelle génération, offrant une fonctionnalité sans fil continue et sans batterie.
Selon une étude publiée aujourd’hui dans Nature, une équipe internationale de chercheurs de l’Université Rice et de l’Université Hanyang a mis au point un matériau en intégrant des amas de nanoparticules céramiques hautement diélectriques dans un polymère élastique. Ce matériau a été conçu pour imiter l’élasticité et les mouvements de la peau, tout en ajustant ses propriétés diélectriques pour contrer les effets perturbateurs des mouvements sur les interfaces électroniques, minimiser les pertes d’énergie et dissiper la chaleur.
Comprendre la Conception du Matériau
« Notre équipe a pu combiner des simulations et des expériences pour comprendre comment concevoir un matériau capable de se déformer comme la peau et de modifier la distribution des charges électriques à l’intérieur lorsqu’il est étiré, afin de stabiliser la communication radiofréquence », a indiqué Raudel Avila, professeur adjoint de génie mécanique à l’Université Rice et auteur principal de l’étude. « D’une certaine manière, nous concevons soigneusement une réponse électrique à un événement mécanique. »
Raudel Avila, responsable des simulations pour identifier les matériaux et les conceptions appropriés, a expliqué que les dispositifs électroniques utilisent des éléments de radiofréquence (RF) comme les antennes pour envoyer et recevoir des ondes électromagnétiques. « Si vous avez déjà été dans un endroit avec une mauvaise réception cellulaire ou un signal Wi-Fi très instable, vous comprenez probablement la frustration des signaux faibles », a-t-il ajouté.
Les nanoparticules intégrées dans le substrat ont servi à contrer ces perturbations, un élément clé de la conception étant la répartition intentionnelle de leur distribution. La distance entre les particules et la forme de leurs amas ont joué un rôle crucial dans la stabilisation des propriétés électriques et de la fréquence de résonance des composants RF.
« La stratégie de regroupement est très importante, et il faudrait beaucoup plus de temps pour comprendre comment procéder uniquement par des observations expérimentales », a encore précisé Raudel Avila.
Applications et Perspectives
Sun Hong Kim, ancien associé de recherche à Hanyang et maintenant chercheur postdoctoral à l’Université Northwestern, a souligné que l’équipe de recherche a adopté une approche créative pour résoudre le problème de la stabilité des signaux RF dans les électroniques extensibles. « Contrairement aux études précédentes qui se concentraient sur les matériaux ou la conception des électrodes, nous nous sommes concentrés sur la conception d’un nanocomposite à haute constante diélectrique pour le substrat où se trouve le dispositif sans fil », a-t-il indiqué.
Abdul Basir, ancien associé de recherche à Hanyang et maintenant chercheur postdoctoral à l’Université de Tampere en Finlande, a ajouté : « Nous pensons que notre technologie peut être appliquée à divers domaines tels que les dispositifs médicaux portables, la robotique souple et les antennes haute performance fines et légères. »
Les technologies portables ont un impact profond sur les soins de santé, permettant de nouvelles formes de surveillance, de diagnostic et de soins individuels. Les prévisions du marché des technologies intelligentes reflètent le potentiel transformateur de ces technologies, avec la santé et la forme physique représentant la plus grande part en termes d’utilisation finale.
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« Les électroniques extensibles intégrées à la peau jouent un rôle clé dans les urgences sanitaires, les soins de santé électroniques et les technologies d’assistance », a dit encore Abdul Basir.
Tests et Performances
Pour tester si le matériau pouvait soutenir le développement de technologies portables efficaces, les chercheurs ont construit plusieurs dispositifs sans fil extensibles, y compris une antenne, une bobine et une ligne de transmission, et ont évalué leurs performances à la fois sur le substrat qu’ils ont développé et sur un élastomère standard sans les nanoparticules céramiques ajoutées.
« Lorsque nous mettons les électroniques sur le substrat et que nous les étirons ou les plions, nous voyons que la fréquence de résonance de notre système reste stable », a déclaré Raudel Avila. « Nous avons montré que notre système supporte une communication sans fil stable à une distance allant jusqu’à 30 mètres (~98 pieds) même sous contrainte. Avec un substrat standard, le système perd complètement la connectivité. »
La distance de travail sans fil du système de communication en champ lointain dépasse celle de tout autre système similaire intégré à la peau. De plus, le nouveau matériau pourrait être utilisé pour améliorer les performances de connectivité sans fil dans une variété de plateformes portables conçues pour s’adapter à différentes parties du corps dans une large gamme de tailles.
Par exemple, les chercheurs ont développé des bandes bioniques portables à porter sur la tête, le genou, le bras ou le poignet pour surveiller les données de santé à travers le corps, dont l’activité électroencéphalographique (EEG) et électromyographique (EMG), le mouvement du genou et la température corporelle. Le bandeau, qui pouvait s’étirer jusqu’à 30 % lorsqu’il était porté sur la tête d’un enfant en bas âge et jusqu’à 50 % sur la tête d’un adulte, a transmis avec succès des mesures EEG en temps réel à une distance sans fil de 30 mètres.
« Les dispositifs RF extensibles intégrés à la peau, capables de se conformer parfaitement à la morphologie de la peau et de surveiller les signaux physiologiques clés, nécessitent une conception critique des agencements de matériaux individuels et des composants électroniques pour obtenir des propriétés mécaniques et électriques et des performances qui ne perturbent pas l’expérience de l’utilisateur », a conclu Raudel Avila. « À mesure que les dispositifs portables continuent d’évoluer et d’influencer la manière dont la société interagit avec la technologie, en particulier dans le contexte de la technologie médicale, la conception et le développement d’électroniques extensibles hautement efficaces deviennent essentiels pour une connectivité sans fil stable. »
Légende illustration : La photo montre des dispositifs portables extensibles incorporés à un substrat matériel nouvellement développé qui peut ajuster ses propriétés diélectriques pour contrer les effets perturbateurs du mouvement sur l’électronique d’interfaçage. Les performances du système ont été testées sous différents types de mouvements de déformation, y compris la torsion (à gauche) et la piqûre (à droite). (Avec l’aimable autorisation de Raudel Avila/Rice University et de Sun Hong Kim/Hanyang University)
